辜晉德,趙建鈞,安建峰

(南京水利科學(xué)研究院水工水力學(xué)研究所,江蘇 南京 210029)

挑流消能是高拱壩工程中最常見(jiàn)的消能方式,由于紊流問(wèn)題的復(fù)雜性,目前常規(guī)研究手段是根據(jù)弗勞德相似準(zhǔn)則建立縮尺物理模型,并對(duì)水墊塘動(dòng)水荷載進(jìn)行測(cè)量,根據(jù)測(cè)試結(jié)果計(jì)算原型的動(dòng)水荷載,從而指導(dǎo)工程實(shí)踐。在這個(gè)過(guò)程中,往往將水流摻氣問(wèn)題作為次要因素忽略,然而水流流速達(dá)到一定程度之后,自身裂散導(dǎo)致?lián)綒猬F(xiàn)象十分嚴(yán)重[1-3]。早在20世紀(jì)50年代,蕭興斌[4]就指出常規(guī)泄洪樞紐水工模型比尺約為1∶80～1∶100,模型水舌流速約為3～4 m/s,未達(dá)到水流自摻氣的臨界流速,導(dǎo)致模型摻氣情況不符合弗勞德相似準(zhǔn)則;董志勇等[5-6]的研究表明,水流摻氣對(duì)動(dòng)水沖擊壓力及脈動(dòng)壓力均有不同程度的影響。因此,研究挑流水舌作用下水墊塘摻氣量(體積分?jǐn)?shù)，下同)分布規(guī)律及模型比尺效應(yīng),對(duì)于更為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)原型水墊塘的動(dòng)水荷載具有重要的意義。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者通過(guò)水工模型試驗(yàn)對(duì)工程上常見(jiàn)的挑流[7]、底流[8-9]、淹沒(méi)射流[10-11]、壩面溢流[12]、挑坎后摻氣水流[13-15]等典型流態(tài)的摻氣現(xiàn)象進(jìn)行了研究,得出了水流摻氣的基本結(jié)構(gòu)。Canepa等[16-18]通過(guò)試驗(yàn)研究了水墊塘內(nèi)的摻氣量分布;也有學(xué)者嘗試通過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算水流的摻氣效應(yīng)[19-20]。關(guān)于模型中水流摻氣的比尺效應(yīng),謝省宗等[21]認(rèn)為氣泡上浮速度不相似是陡槽水流摻氣量不相似的主要原因;孫建等[22]通過(guò)水流運(yùn)動(dòng)基本方程的推導(dǎo)及試驗(yàn)驗(yàn)證,探討了水墊塘底板動(dòng)水壓強(qiáng)的縮尺效應(yīng)。

挑流水墊塘內(nèi)的氣體主要來(lái)源于兩部分,一為水舌在空中拋射過(guò)程中的自身裂散摻入的氣體,二為水舌入水時(shí)在水氣交界面上的強(qiáng)剪切作用帶入的氣體。兩種作用均與水舌的絕對(duì)流速相關(guān),從而決定了模型水墊塘內(nèi)摻氣量具有縮尺效應(yīng)。本文通過(guò)某高拱壩的泄洪樞紐縮尺模型,使用采樣分析法獲取單股水舌入射區(qū)及水墊塘內(nèi)的摻氣量分布規(guī)律,并對(duì)不同比尺模型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,探討挑流水墊塘摻氣的縮尺效應(yīng)。

低溫?zé)岱纸庵劓V水溶液制備晶須是一個(gè)復(fù)雜的多相結(jié)晶過(guò)程。由前述結(jié)果討論可知，重鎂水濃度對(duì)三水碳酸鎂的形貌和組成具有重要的影響。由前述結(jié)果可知，晶體是在間歇結(jié)晶過(guò)程中產(chǎn)生的，在開(kāi)始的某段時(shí)間內(nèi)，溶液濃度實(shí)際上保持不變，這段時(shí)間稱為誘導(dǎo)期tind，其為結(jié)晶過(guò)程的主要?jiǎng)恿W(xué)特征之一。誘導(dǎo)期時(shí)間很大程度上依賴于過(guò)飽和度和溫度等因素[25]。因濃度隨時(shí)間的變化在一定程度上反映了結(jié)晶動(dòng)力學(xué)，因此用以判斷結(jié)晶進(jìn)程的主要指標(biāo)之一是溶液中物質(zhì)的濃度。按照相生成的熱力學(xué)理論，誘導(dǎo)期時(shí)間的計(jì)算公式為[25]：

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图傲繙y(cè)方法

圖2 水墊塘斷面測(cè)點(diǎn)布置(尺寸單位:cm，高程單位:m)

某在建高拱壩壩高289 m,壩身為雙曲拱壩,其泄洪樞紐布置有6個(gè)表孔和7個(gè)深孔,其中深孔呈V字形布置,深孔出口挑角從中間向兩側(cè)依次減小。水墊塘底板高程為560 m,二道壩軸線距離壩軸線400 m,二道壩頂高程為602 m。本次試驗(yàn)研究對(duì)象為中間深孔,其挑角為20°,出口高程為724 m,出于消能方面考慮,深孔出口體型采用最典型的底部上翹、頂部下壓的體型,以促進(jìn)水流橫向擴(kuò)散。底部水墊塘為反拱型水墊塘。根據(jù)工程參數(shù)分別建立1∶100及1∶50水工模型,模型主要由進(jìn)水水箱、泄洪孔口及下游水墊塘組成,模型水墊塘采用透明有機(jī)玻璃制作,以便于對(duì)水流流態(tài)進(jìn)行觀測(cè),模型概況如圖1所示。

圖1 模型示意圖

為了測(cè)試水墊塘內(nèi)的空間摻氣分布形式,在模型上沿?cái)嗝娲罱梢苿?dòng)框架,在斷面上布置若干測(cè)點(diǎn)對(duì)水體中的摻氣量進(jìn)行測(cè)量,斷面測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2所示。采用中國(guó)水科院研制的CQ6-2005型摻氣濃度儀測(cè)量水墊塘斷面摻氣量。對(duì)于淹沒(méi)射流區(qū)域的摻氣量的測(cè)量,為了盡量避免兩側(cè)儀器對(duì)射流流態(tài)的干擾,采用如下方式進(jìn)行測(cè)量:將直徑2 mm的空心探針?lè)胖糜诖郎y(cè)位置,調(diào)節(jié)可變體積的集氣筒使收集裝置內(nèi)形成負(fù)壓,測(cè)點(diǎn)處的水氣混合體通過(guò)探針進(jìn)入收集裝置,通過(guò)計(jì)算收集裝置內(nèi)的壓力及空氣體積變化可計(jì)算出水氣混合體中的水和氣體體積,摻氣量由φ=Va/(Va+Vw)計(jì)算,其中Va為正常大氣壓的空氣體積,Vw為水體積。試驗(yàn)過(guò)程采用旋槳流速儀測(cè)量水舌入水流速。

為了表述方便,平面上建立坐標(biāo)系,以壩軸線與水墊塘中心線的交點(diǎn)為原點(diǎn),沿壩軸線方向?yàn)閄軸,沿樁號(hào)縱向?yàn)閅軸,試驗(yàn)觀測(cè)到水舌落水區(qū)域大致在X=-20～20 m,Y=250～270 m范圍內(nèi)。對(duì)水舌落水區(qū)域平面摻氣量分布情況進(jìn)行測(cè)試時(shí),為了避免水面波動(dòng)的影響,測(cè)試高程為595 m,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4所示。從圖4中可以看出,1∶100模型上摻氣量分布形式與1∶50模型上有明顯不同,1∶100模型上水舌落水區(qū)域摻氣量分布呈三角形,X=-5 m處和X=15 m處(對(duì)應(yīng)水舌左右兩側(cè))出現(xiàn)摻氣量峰值。這是由于入水水舌呈月牙形分布,摻氣源始于月牙形水氣交界面,水舌兩側(cè)入水角度略大,由此位置產(chǎn)生的氣泡群入水深度略深,在平面分布圖上能看到明顯兩處峰值。1∶50模型上實(shí)測(cè)摻氣量分布呈扁平橢圓形狀,分布相對(duì)較為均勻,水舌區(qū)域以外摻氣量逐漸降低。從分布形式來(lái)看,1∶100模型上摻氣量分布相對(duì)集中,1∶50模型上摻氣量分布相對(duì)分散;從峰值上看,1∶100模型峰值點(diǎn)較為明顯,實(shí)測(cè)摻氣量峰值約為50%,而1∶50模型上實(shí)測(cè)摻氣量峰值略低,約為40%。

“機(jī)構(gòu)監(jiān)管”體制是基于金融機(jī)構(gòu)的類型劃分而確定監(jiān)管權(quán)力的界限，即商業(yè)銀行和信托投資公司由銀監(jiān)會(huì)負(fù)責(zé)監(jiān)管，證券公司和基金管理公司由證監(jiān)會(huì)負(fù)責(zé)監(jiān)管，保險(xiǎn)公司由保監(jiān)會(huì)負(fù)責(zé)監(jiān)管。在這種體制下，監(jiān)管者權(quán)力行使的對(duì)象是金融機(jī)構(gòu)本身，而不是金融機(jī)構(gòu)的某項(xiàng)具體業(yè)務(wù)或產(chǎn)品。那么，商業(yè)銀行的各種理財(cái)產(chǎn)品，不論其法律性質(zhì)如何，一律劃歸銀監(jiān)會(huì)監(jiān)管。然而，隨著商業(yè)銀行理財(cái)產(chǎn)品的創(chuàng)新發(fā)展，其產(chǎn)品往往集證券、保險(xiǎn)、基金、信托等法律特性于一身，難以將其用傳統(tǒng)的“銀行、證券、保險(xiǎn)”這樣的業(yè)別分類模式對(duì)號(hào)入座。如此一來(lái)，“機(jī)構(gòu)監(jiān)管”體制的弊端就暴露出來(lái)。具體說(shuō)來(lái)，針對(duì)商業(yè)銀行理財(cái)產(chǎn)品的監(jiān)管存在以下弊端：

表1 模型試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

2.1 水舌入水形態(tài)

試驗(yàn)對(duì)水墊塘內(nèi)摻氣量分布進(jìn)行了測(cè)試,選取測(cè)試高程為Z=590 m,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5所示。從圖5中可以看出,由于水舌落水點(diǎn)位于水墊塘中心位置,水墊塘內(nèi)摻氣量呈現(xiàn)中間較高,兩側(cè)逐漸降低的分布形式,同時(shí)隨著與落水點(diǎn)距離的增加,摻氣量逐漸降低。從具體分布情況來(lái)看,1∶100模型上摻氣量分布類似高斯分布,中間高兩側(cè)低,在Y=260 m處,水墊塘中心摻氣量約為40%,向兩側(cè)逐漸降低,若以摻氣量5%作為摻氣邊界,則1∶100模型上摻氣范圍約在X=-20～40 m之間;1∶50模型上實(shí)測(cè)摻氣量分布峰值較低,在Y=260 m處,水墊塘中心摻氣量約為30%,摻氣范圍大約在X=-40～40 m之間,且在Y=260～280 m之間摻氣量分布均較為接近。結(jié)合水舌沖擊區(qū)摻氣量分布圖(圖4),可以看出水舌落水形態(tài)不同導(dǎo)致?lián)綒庥绊懛秶胺植夹问蕉加胁煌?∶100模型上水舌較為集中,沖擊區(qū)摻氣量峰值較高,但摻氣范圍較小;1∶50模型上水舌較為分散,沖擊區(qū)摻氣量峰值略小,但是摻氣范圍較大。

圖3 挑流水墊塘摻氣現(xiàn)象

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,水舌入水形態(tài)直接決定摻氣量分布形態(tài)。1∶100模型上水舌入水形態(tài)呈月牙形,其摻氣量平面分布呈現(xiàn)三角形;1∶50模型上水舌由于空中裂散,入水時(shí)呈現(xiàn)扁平狀,其摻氣量分布形式呈扁平柱狀。雖然1∶50模型水舌入水時(shí)攜氣量較大,但是水中摻氣量并沒(méi)有明顯高于1∶100模型。由此可見(jiàn)挑流水舌與水面剪切作用帶入的空氣是水墊塘摻氣的主要來(lái)源,當(dāng)水舌分散時(shí),裂散水舌縫隙中攜帶的氣體并不能被帶入水墊塘內(nèi),而是在水氣交界面附近快速逸散,水舌的分散反而會(huì)降低與水墊塘內(nèi)水體的剪切作用,從而導(dǎo)致交界面上摻氣量下降,因此1∶50模型的摻氣量反而略低于1∶100模型。

2.2 沖擊區(qū)水體摻氣量

圖4 不同比尺模型的水舌落水區(qū)域摻氣量等值線

為了便于數(shù)據(jù)比較,模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的水位、流量、流速及樁號(hào)高程等相關(guān)變量均按照弗勞德相似準(zhǔn)則換算到原型,但摻氣量數(shù)據(jù)不做換算。試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1所示。

測(cè)試得到1∶100模型水舌入水流速為5.3 m/s(按弗勞德相似準(zhǔn)則相當(dāng)于原型值為53 m/s);1∶50模型水舌入水流速為6.9 m/s(相當(dāng)于原型值為49.3 m/s)。不同比尺模型水舌入水流速存在差異,按照相似準(zhǔn)則換算,1∶100模型對(duì)應(yīng)的原型流速略大。水舌形態(tài)觀測(cè)結(jié)果表明1∶50模型水舌裂散程度高于1∶100模型水舌裂散程度。

小智治事，中智治人，大智立法。［3］面對(duì)新風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)當(dāng)樹(shù)立法治意識(shí)，完善立法，為應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)和化解風(fēng)險(xiǎn)提供根本性、全局性、長(zhǎng)期性的法治保障?！半S著歷史的發(fā)展，政治實(shí)踐的豐富，對(duì)人的理性局限性的反思和人的惡性的警惕，‘罪刑法定’原則所潛在的立法萬(wàn)能的理念所導(dǎo)致的一些不那么樂(lè)觀的后果也逐漸凸顯出來(lái)?！保?］刑法不可能對(duì)所有犯罪形式一一列舉。犯罪形式也會(huì)隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步處在一種隨機(jī)變化之中，人工智能時(shí)代的犯罪也不例外，在這一變化過(guò)程中要重視立法、偵查、起訴、審判等要素的相互支撐，為人工智能時(shí)代的犯罪預(yù)防奠定法治基礎(chǔ)。

2.3 水墊塘內(nèi)水體摻氣量

圖5 不同比尺模型的水墊塘摻氣量平面分布

試驗(yàn)過(guò)程中可以觀測(cè)到,在深孔出口“下壓上翹”體型的作用下,出口水舌向空中挑起時(shí),受到縱向壓縮而產(chǎn)生橫向加速度,水舌在最高點(diǎn)呈扁平狀,并在空中橫向擴(kuò)散。在1∶100模型上可以觀測(cè)到,水舌跌落水墊塘?xí)r呈月牙形分布,其中水舌中部落水點(diǎn)略偏向下游,兩側(cè)水舌落水點(diǎn)略靠近上游。落水點(diǎn)下游一定范圍內(nèi)出現(xiàn)類似水躍的表面旋滾,水流波動(dòng)劇烈;落水點(diǎn)下游大范圍內(nèi)有氣泡涌出,氣泡量隨著與水舌落水點(diǎn)距離的增大而逐漸減小。從水墊塘底部可以觀測(cè)到水舌落水月牙形區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生大量絮狀氣泡群。由于氣泡密度遠(yuǎn)低于水的密度,氣泡在下潛過(guò)程中速度急劇降低,然后轉(zhuǎn)為上浮至水面并破裂逸散,因此可以觀察到氣泡量隨水深增加明顯減小(圖3)。在1∶50模型上觀測(cè)到,水舌在起挑至最高點(diǎn)時(shí)形態(tài)與1∶100模型上基本一致,但在水舌達(dá)到最高點(diǎn)后開(kāi)始出現(xiàn)邊緣裂散,水舌落水區(qū)域邊界較為模糊,目測(cè)近似橢圓狀,而并非1∶100模型上觀測(cè)到的月牙形。同樣的從水墊塘底部可以看到柱狀氣泡群在落水區(qū)域產(chǎn)生,水墊塘內(nèi)氣泡分布現(xiàn)象大致與1∶100模型水墊塘內(nèi)的相同。

對(duì)于下一代圖書(shū)館服務(wù)平臺(tái)（LSP），國(guó)內(nèi)的湖北三新、超星、CALIS（Folio）、西安文淵等也在涉足。

由于氣泡自身上浮運(yùn)動(dòng)的特性,水墊塘垂向上總體摻氣量分布趨勢(shì)是隨著水深的增大逐漸降低,但由于入射水流的作用,氣泡群會(huì)在射流流速帶動(dòng)下下潛至深處,導(dǎo)致局部摻氣量較大。水墊塘中心剖面上摻氣量分布如圖6所示。對(duì)比1∶100模型及1∶50模型上的測(cè)試結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)比尺模型上測(cè)試所得摻氣量分布形式大致相同,但在1∶100模型上,射流核心區(qū)域摻氣量等值線明顯沿著射流方向向水墊塘底部延伸,摻氣量25%等值線在Y=280 m處可以延伸至Z=580 m高程，而在1∶50模型上未發(fā)現(xiàn)等值線明顯向下延伸。從等值線的影響范圍來(lái)看,1∶100模型摻氣量等值線影響范圍略大。氣泡下潛的主要影響因素是入射流速的大小,結(jié)合入水流速的測(cè)試結(jié)果,可以得出1∶100模型水舌入水流速相對(duì)較大是造成摻氣量垂向影響范圍大的主要原因。

圖6 不同比尺模型的水墊塘中心剖面摻氣量剖面等值線

3 結(jié) 論

根據(jù)弗勞德相似準(zhǔn)則建立1∶100及1∶50兩個(gè)不同比尺模型,通過(guò)對(duì)這兩個(gè)模型挑流水舌形態(tài)觀測(cè)和水舌入水流速、水墊塘摻氣量測(cè)量及對(duì)比,發(fā)現(xiàn)不同比尺模型上的水舌裂散形態(tài)有明顯差異,在同樣的孔口擴(kuò)散體型作用下,1∶100模型上水舌入水形態(tài)呈月牙形,而1∶50模型水舌入水形態(tài)呈橢圓形。入水流速的測(cè)試結(jié)果表明水舌入水形態(tài)、入水流速的差異進(jìn)一步導(dǎo)致水墊塘內(nèi)摻氣量分布形態(tài)的不同,1∶100模型水墊塘中氣泡群相對(duì)集中于中間區(qū)域,同時(shí)氣泡群下潛深度較深;1∶50模型氣泡群平面上較為分散,氣泡群下潛深度較淺。

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,挑流水舌裂散形態(tài)存在明顯的比尺效應(yīng),若直接將小比尺模型模擬結(jié)果換算至原型,則不可避免存在一定的誤差,這種誤差在復(fù)雜孔口體型、復(fù)雜泄洪運(yùn)行方式下可能會(huì)有進(jìn)一步變化。本文使用的模型尺度已經(jīng)遠(yuǎn)超常規(guī),試驗(yàn)結(jié)果有一定的代表意義,但水舌流速仍與原型有數(shù)量級(jí)的差異。無(wú)限制增大模型尺度并不現(xiàn)實(shí)，如何在兼顧經(jīng)濟(jì)及模擬精度的前提下選擇水工模型比尺,更好的模擬原型水力特性,仍需進(jìn)一步探討。